Введение к работе
Актуальность проблемы Методология построения и проектирования технического обеспечения АСУТП предусматривает системное единство теории управления, элементов автоматики, проектирования систем управления (Колосов С П, Иващенко Н II, Сол одовниковВ В , Плотников В Н, Яковлев А В и др) Многообразие форм и языков представления технического обеспечения в указанных областях, а также нарушение изоморфизма описаний технического обеспечения при их трансформации не позволяет обеспечить сокращение сроков разработки за счет автоматизации и интеллектуализации всех проектных процедур на разных этапах создания АСУТП и ее технического обеспечения
Реализация задач построения структур технического обеспечения как рассмотрение совокупности взаимосвязанных элементов различных уровней детализации (Цвиркун А Д , Мамиконов А Г , Кульба В В ) доведена до автоматизации формирования монтажных схем и наборов спецификаций по принципиальной схеме (Целищев Е С , Салин А Г , Никольский Н В ) Переход от функциональной схемы автоматизации технологического объекта к принципиальной схеме технического обеспечения осуществляется проектировщиком с использованием эвристик при полной автоматизации чертежных операций в ходе разработки комплекта документации
При разработке проектных описаний технического обеспечения в соответствии с установленными нормами (Клюев А С , Дубровский А X , Федоров Ю Н) в условиях быстрого обновления программно-технических средств требуется постоянная модернизация библиотек элементов и проверки возможности их использования в типовых решениях Появление новых элементов заставляет пересматривать используемые способы и критерии управления Время проектирования АСУТП и срок жизненного цикла составляющих ее элементов становятся соизмеримыми
Возникает противоречие, когда при испочьзовании методов и средств автоматизированного проектирования технического обеспечения АСУТП необходимы повышение абстракции моделей типовых проектных решении (Емельянов С В ) с одной стороны, и детализация свойств, обеспечивающих установление межэлементных связей на физическом уровне с другой стороны
В настоящее время актуальны постановка и решение важной научно-технической проблемы - разработка совокупности моделей, описывающих иерархию классов технического обеспечения АСУТП, и связанных с классами методов автоматического синтеза межэлементных связей системы управления, позволяющих осуществить сокращение сроков и повышение эффективности создания АСУТП путем автоматизации и интеллектуализации решения задач технической реализации функциональной структуры АСУТП при применении методов и средств автоматизированного проектирования
Проблема связана с ограниченностью возможностей построения и рассмотрения быстроустаревающих вариантов технической реализации АСУТП (Шапиро Ю 3 , Балакирев В С , Емельянов С В и др ) при использовании эвристических приемов в ходе привязки и модернизации типовых проектных решений к особенностям объектов управления, затруднениями построения и рас-
смотрения многообразия вариантов межэлементных связей для ряда модификаций технических средств, модели которых (Колосов С П, Сотсков Б С) не позволяют осуществить автоматический синтез и преобразование схемных описаний подсистем АСУТП
Область исследования - автоматизированные системы управления непрерывными технологическими процессами (АСУТП), методы и средства проектирования технического обеспечения АСУТП на базе элементов электрической ветви государственной системы приборов
Объект исследования - техническое обеспечение АСУТП, процесс разработки схемных решений на начальных стадиях создания технического обеспечения АСУТП
Цель диссертационной работы - совершенствование существующей методологии построения и проектирования технического обеспечения АСУТП на основе разработки совокупности моделей, положений и методов, создающих предпосылки для автоматизации и интеллектуализации начальных стадий создания технического обеспечения АСУТП
Для достижения цели в работе осуществлялись постановка и решение основных исследовательских задач:
1) анализ существующей методологии построения и проектирования
АСУТП, разработка и исследование набора структур АСУТП на примере не
прерывной технологической линии, разработка способов управления техноло
гической линией и ее участками, ориентированных на применение программно-
технических средств автоматизации,
анализ принципов построения, моделей и форм представления описаний, методов и средств проектирования технического обеспечения АСУТП,
разработка методов построения моделей технического обеспечения с ис пользованием технологий инженерии знаний, разработка таксономии элементов, понятий и систематизация отношений, являющихся теоретической основой для создания компьютерной системы, применяемой при концептуализации, структуризации и формализации знаний в исследуемой области,
построение иерархического теоретико-множественного описания технического обеспечения, предусматривающего детализацию концепции модели взаимодействия открытых систем на физическом уровне (при реализации различных способов управления),
разработка моделей процесса проектирования технического обеспечения АСУТП, моделей и алгоритмов для автоматического построения и преобразования описаний функциональных и принципиальных схем технического обеспечения АСУТП в частично выбранном элементно-параметрическом базисе,
разработка архитектуры и составляющих компьютерного комплекса как представителя класса интеллектуальных систем, предназначенных для автоматизации решения прикладных задач преобразования функциональной структуры системы управления в описания схемных решений при технической реализации с использованием частично заданного элементно-параметрического базиса,
программная реализация концепций построения компьютерного ком-
плекса, разработка методик работы с ним и проведение на их базе экспериментальных исследований предложенных моделей и методов при решении задач проектирования подсистем технического обеспечения АСУТП Научная новизна. В настоящей работе
Предложены теоретические основы, методы и алгоритмы интеллектуализации решения прикладных задач проектирования схем технического обеспечения АСУТП, позволяющие сформировать множество альтернативных вариантов технической реализации и предусматривающие интерпретацию задачи синтеза технической структуры АСУТП в виде построения и преобразования графовых моделей функциональной структуры в ходе создания и детализации межэлементных связей с учетом свойств элементов, связей и сигналов при рассмотрении ограничений в виде бинарных запретов на сочетание структурных элементов АСУТП на разных уровнях ее иерархического описания
Развита концепция извлечения, структуризации и формализации знаний в области технического обеспечения АСУТП на основе использования разработанной компьютерной системы, являющейся средой для реализации методов построения и проектирования технического обеспечения, функционирующей на базе системного единства связи понятия «структура» с определяющими понятиями «функция», «элемент», «сигнал», а также определяемым понятием «схема»
Систематизированы межэлементные отношения технического обеспечения с выделением класса композиционных отношений и вариаций его свойств при изменении языка описания, разработаны таксономии первичных понятий и элементов, явившиеся базовой моделью для компьютерной системы, реализующей метод автоматического синтеза технической структуры многокомпонентных АСУТП с учетом нарушения морфизмов ее описаний
Разработан на основе теории множеств комплекс моделей технического обеспечения в виде иерархического описания уровней системного, подсистем, цепей, приборного и параметрического с организацией межуровневых переходов на базе отношений «часть-целое» и раскрытием каждого уровня с использованием отношений «род-вид», «иметь свойства», «иметь значения свойств», а также введением на системном и приборном уровнях классов свойств, характеризующих удобство проектирования АСУТП, особенности программирования, настройки и эксплуатации технических средств
Создана модель промышленного малоканального контроллера, включающая описание взаимосвязей входов-выходов при раскрытии функционального назначения прибора, логическую систему обобщенных операций при программировании, систематизацию свойств, методику снижения размерности пространства свойств контроллера, описание обобщенных факторов, характеризующих контроллеры для регулирования температуры, полученных в ходе апробации методики
Разработаны система положений, отражающая эвристические приемы создания проектных описаний технического обеспечения, формальная система для построения описаний функциональных схем технического обеспечения, включающая правила вывода, основанные на определении типов функциональ-
ных цепей и видов сигналов в них с заданием шкал для представления как функций, так и сигналов на контактах входов-выходов элементов
Разработаны алгоритмы преобразования схемных описаний технического обеспечения и их программная реализация, учитывающие свойства информационной, электрической и конструктивной совместимости элементов при автоматической трансформации описаний функциональных схем в набор таблиц соединений элементов, соответствующих принципиальным схемам технического обеспечения
Предложены архитектура, методики применения и программная реализация компьютерного комплекса как представителя класса систем, отражающего связь прикладного и представительного уровней средств автоматизированного проектирования технического обеспечения АСУТП с физическим уровнем АСУШ и обеспечивающего автоматизацию и интеллектуализацию решения прикладных задач разработки схемных решений по технической реализации функциональных цепей АСУШ, выражающихся в автоматическом построении описаний технического обеспечения, в явном виде не содержащихся в системе
Синтезирована с использованием методов теории управления адаптивная система управления непрерывной технологической линией, изменяющая структуру системы управления и состав технологического оборудования в случае невозможности обеспечения экстремума критерия управления, зависящего от режима работы, за счет функционирования и координации систем стабилизации режимных параметров на отдельных участках
10 Предложен способ управления локальным участком технологической
линии, предусматривающий реализацию принципа комбинированного управле
ния и использование эталонной модели для расчета значения задающего воз
действия локальному типовому регулятору
Полученные технические решения и их программная реализации защищены тремя патентами РФ и тремя свидетельствами на программы для ЭВМ
Методы исследования В работе используются методы теорий управления, множеств, графов, формальных систем, баз данных, искусственного интеллекта, а также методы инженерии знаний, системного моделирования, эвристических решений, математической статистики Работа выполнена в рамках междисциплинарной отрасли научных знаний, охватывающей схемотехник}' АСУШ и технических средств автоматизации, теорию проектирования
Достоверность полученных результатов подтверждается экспериментальными исследованиями на действующем прототипе компьютерного комплекса, доказывающими сходимость процесса автоматического синтеза описаний межэлементных связей в частично заданном элементно-параметрическом базисе, соответствующих функциональным и принципиальным схемам, существование интерпретации формальной системы для проектирования описаний функциональных схем технического обеспечения АСУШ и правил перехода к принципиальным схемам на булеане универсума предложенной таксономии элементов Результаты автоматического синтеза межэлементных связей схемных описаний технического обеспечения полностью согласуются с решениями, полученными в ходе реального проектирования подсистем различных АСУТП
Практическая ценность работы заключается в следующем
Предложена и апробирована технология извлечения экспертных знаний в области построения и проектирования технического обеспечения АСУТП с применением компьютерной системы
Сформирован набор эвристик, используемых на начальных стадиях проектирования технического обеспечения АСУТП, представлены теоретически и практически обоснованные формализованные операции и процедуры, позволяющие автоматически получать проектные описания схемных решений по технической реализации функциональных цепей
Предложено разработку проектных описаний технического обеспечения осуществлять начиная со стадии исследования объекта управления при испочь-зовании расширенного набора функции программируемых приборов
Представлено развернутое описание свойств программируемого контроллера и методика получения обобщенных факторов, определяющих наиболее значимые свойства, по которым осуществляется выбор подкласса и модификации прибора
Сформированы концептуальная схема и информационная база, зарегистрированные в едином реестре баз данных РФ и используемые при автоматическом синтезе описаний схем технического обеспечения АСУТП, показано, что продукционные правила, использующие данную базу обеспечивают генерацию вариантов согласующих связей при организации взаимодействия элементов на физическом уровне, превышающую возможности опытного специалиста
Доказаны существование интерпретации предложенной формальной системы для автоматического построения описаний функциональных схем в частично заданном элементном базисе на булеане предложенной таксономии элементов и истинность формул в данной интерпретации
Разработаны и переданы в эксплуатацию действующие прототипы компьютерных комплексов, защищенных авторскими свидетельствами о регистрации программ для ЭВМ, обеспечивающих интеллектуализацию и автоматизацию прикладных задач построения и преобразования схемных решений по технической реализации измерительных и управляющих цепей технического обеспечения с аналоговыми и импульсными сигналами
Разработан набор учебно-тренировочных заданий для обучения начальным стадиям проектирования технического обеспечения АСУТП
На защиту выносятся;
Методика создания моделей знаний в области технического обеспечения АСУТП, основанная на применении компьютерной системы как составляющей технологии построения моделей, таксономии понятий, элементов и систематизация отношений рассматриваемой области, лежащие в основе построения компьютерной системы
Совокупность моделей технического обеспечения АСУТП, реализующего различные способы управления и представляющая иерархическое описание функций, структуры и свойств на уровнях системном, подсистем, цепей и элементов
Формальная система для автоматического построения описаний функ-
циональных схем технического обеспечения в частично заданном элементно-параметрическом базисе Иерархия положений, обобщающая эвристики, применяемые на начальных стадиях создания технического обеспечения
Модели и алгоритмы преобразования описаний функциональных схем технического обеспечения АСУТП в описания принципиальных схем
Архитектура и составляющие компьютерного комплекса, являющегося представителем нового класса компьютерных систем, ориентированных на интеллектуализацию и автоматизацию решения задач построения схемных описаний технического обеспечения АСУТП
Связь работы с научными темами и программами. Результаты работ получены в ходе проведения хоздоговорных НИР с ГУП «Союзвузприбор» (г Москва) по теме «Разработка учебно-тренажерного комплекса по судовым средствам автоматизации» (1989-1991 гг), с ОАО «Рыбтехцентр» (г Калининград) по теме «Исследование и разработка типовых схем автоматизации тепловых аппаратов рыбоконсервного производства» (1989-1990 гг), госбюджетных НИР Калининградского государственного технического университета «Разработка экспертной системы оценки органолептических показателей качества пищевых продуктов» (1995-1997 гг) и Тверского государственного технического университета (ТГТУ) «Научные основы разработки мультимедиа тренажеров на основе рефлексивного подхода» (2002-2006 гг, направление «Информационная деятельность» научно-исследовательской деятельности Высшей школы Российской Федерации)
Разработка составляющих модели проблемной области и методов их практической реализации в системе высшего профессионального образования выполнена в рамках федеральной целевой программы "Развитие единой образовательной информационной среды" (2001-2005 гг) и межвузовской комплексной программы «Наукоемкие технологии образования» по темам «Научные основы разработки мультимедийных тренажеров по техническим средствам автоматизации», «Поверка магнитного газоанализатора», «Лабораторный практикум по дисциплине «Іехнические средства автоматизации» на базе мультимедийных тренажеров» (2001-2004 гг)
Апробация работы. Результаты работ докладывались и обсуждались на
Всесоюзной конференции "Авгоматизация технологических процессов и производств в пищевой промышленности" (г Москва, 1989), первом международном симпозиуме «Automatic control of ship propulsion and ocean engineering systems» (г Гданьск, Польша, 1994), сессии комиссии D2/D3 международного института холода (г Гданьск, Польша, 1994), 19 международном конгрессе по охлаждению (г Гаага, Нидерланды, 1995), международных научно-практических и научно-технических конференциях "Математические методы в интеллектуальных информационных системах" (г Смоленск, 2002), "IEEE international conference on advanced learning technologies" (г Казань, 2002), 2-ой и 4-ой "Дистанционное обучение - образовательная среда XXI века" (г Минск, 2002, г Тверь, 2004), «Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании» (г Тверь, 2002), «Актуальные проблемы науки и образования» (г Пенза, 2003), «Information Theories and Applications» и «KDS07» (г Варна,
Болгария, 2004, 2007), 4-ой «Современные сложные системы управления СССУ-HTCS» (г Тверь, 2004), 19-ой и 22-ой "AIS'04", "AIS'07", (п Дивномор-ское, 2004, 2007), 6-ои «Компьютерное моделирование 2005» (г Санкт-Петербург, 2005), 6-ой "Средства и системы автоматизации" (г Томск, 2005), 2-ой конференции по когнитивной науке «CogSci2006» (г Санкт-Петербург, 2006), XVII-ой "Применение новых технологий в образовании" (г Троицк, 2006), Х-ой «Системный анализ в проектировании и управлении» (і Санкт-Петербург, 2006), конференции федерации по обработке информации (MP) «Soracom2006» (г Петрозаводск, 2006), VII-ой "Традиции и педагогические новации в электротехническом образовании" (г Астрахань, 2006), "Информационные технологии в образовании, технике и медицине" (г Волгоград, 2006), 1Х-ой "Интеллектуальные системы и компьютерные науки" (г Москва, 2006), «Качество образования системы, технологии, инновации» (г Барнаул, 2007), 9-ой , 12-ой и 20-ой "Математические методы в технике и технологиях" (гг Тверь, 1995, Новгород, 1999, Ярославль, 2007), 4-ой конференции "Методы и средства управления технологическими процессами" (г Саранск, 2007), всероссийских научно-технических и научно-методических конференциях 1-ой "Автоматизация технологических процессов и управление производством на предприятиях пищевой промышленности" (г Москва, 1996), 9-ой конференции по искусственному интеллекту КИИ2004 (г Тверь, 2004), «Повышение качества непрерывного профессионального образования» (г Красноярск, 2006), 7-ой и 8-ой «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (г Улан-Удэ, 2006, 2007), ряде региональных конференций и семинаров (гг Киев, Калининград, Рязань, Тверь)
Высокий научно-технический уровень разработок отмечен дипломом 2 степени международного союза машиностроителей на 13 международной конференции «Машиностроение и техносфера XXI века», (г Донецк, Украина, 2006)
Компьютерные комплексы, реализованные на основе разработанных технологий, моделей и алгоритмов экспонировались на 4 и 5 выставках-ярмарках "Современная образовательная среда" (Москва, ВВЦ, 2002 - 2003 гг)
Внедрение результатов Результаты работ внедрены и используются при проектировании систем управления в ряде ведущих организаций (ООО «Ин-терПромАвтоматика», проектно-конструкторском бюро ООО «ПКБ автоматизации производства» (г Тверь) и др ) Научные и практические результаты переданы в эксплуатацию и используются при выполнении НИР и подготовке специалистов по направлению «Автоматизация и управление» в Тверском и Калининградском государственных технических университетах
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 70 печатных научных работ, общим объемом около 30 печатных листов, в том числе две монографии Свыше 50 процентов публикаций выполнены без соавторов
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы и приложений Основное содержание работы изложено на 335 страницах машинописного текста, включающих 46 рисунков, 32 таблицы, 4 приложения, список использованной литературы (177 наименований)
